研究人员开发出用于机器人和假肢的触觉感应电子皮肤

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韩国汉阳大学的研究人员开发出一种垂直集成的双栅摩擦电子晶体管，克服了传统触摸传感技术的关键局限性。与灵敏度固定且集成难度大的传统摩擦电子器件不同，这种新型架构能够实现可调灵敏度、可靠的接触和接近检测，并且像素尺寸极小，适用于高密度阵列。

该技术通过摩擦电荷重新分布将机械刺激转化为电信号，为先进的电子皮肤系统铺平了道路，使机器人、假肢和可穿戴设备能够以前所未有的精度和可靠性感知人类触摸。

图片来源：韩国汉阳大学

可调灵敏度是关键

传统的摩擦电子器件可以将触觉等机械刺激转换为电信号，但其灵敏度固定，且难以实现大面积集成。一项新研究开发了一种垂直集成的双栅摩擦电子晶体管架构，该架构具有可调灵敏度、可靠的接触和接近检测能力，以及极小的像素尺寸，适用于高密度阵列集成。这项技术有望为电子皮肤系统铺平道路，使机器人和假肢能够可靠地感知人类触觉。

近年来，小型化和便携式电子产品，特别是可穿戴和柔性电子设备的快速发展，提高了对自供电传感技术的需求。其中，摩擦纳米发电机（TENG）因其在开发高灵敏度触觉传感器方面的潜力而备受关注。

摩擦纳米发电机（TENG）通过电荷的重新分布将外部机械刺激转换为电信号。它们在开发先进电子皮肤和智能机器人方面极具吸引力。然而，传统的摩擦电子器件存在灵敏度不可调节以及难以集成到大面积架构中等问题，限制了其实际应用。

垂直双栅极架构

为了克服这些局限性，由韩国汉阳大学光子学与纳米电子学系副教授金在均（Jaekyun Kim）领导的研究团队开发了一种垂直集成的双栅摩擦电子晶体管。“我们的垂直双栅结构不仅可以实现对摩擦电子响应的栅极可调放大，而且还能最大限度地减少像素尺寸，从而实现高密度、大面积集成，”金在均表示。

本文提出了一种双栅摩擦电子晶体管，其顶部栅极采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）摩擦电传感层，该传感层堆叠在专用栅极绝缘层之上，而该专用栅极绝缘层又位于氧化铟锡锌（ITZO）薄膜晶体管（TFT）之上。这种创新结构能够实现对灵敏度的协同控制。

在默认状态下，底栅设定流经 ITZO 晶体管的基准电流。为了实现接触和接近感应，器件首先经历一个充电阶段，在此阶段，一块不锈钢板与 PDMS 表面接触。这会在界面处形成摩擦电荷。当不锈钢板与 PDMS 层分离时，这些累积的电荷会产生摩擦电势，该电势充当顶栅电压，从而抑制流经 ITZO 晶体管的电流。

感知邻近性

当带电平板或其他物体再次接近PDMS表面时，摩擦电势逐渐降低，导致晶体管电流随着距离的增加而恢复。这种电流变化即为摩擦电子学响应，指示接触或接近状态。同时，底栅电压设定了基线电流，从而可以对灵敏度进行电学调节。具体而言，研究人员发现灵敏度随底栅电压的增加而提高。

研究人员还表明，增加接触压力会增大 PDMS 层与接触物体之间的有效接触面积，从而产生更多的摩擦电荷并产生更强的响应。

此外，该器件在每个接触-分离循环中分别表现出稳定的响应时间和恢复时间，分别为127毫秒和212毫秒。经过1000次操作循环后，其性能依然稳定，没有明显的性能下降。

人与机器之间的安全接触

为了展示主动触觉传感，研究人员利用所提出的架构制造了一个 10 × 10 的晶体管阵列。在用不锈钢板对传感层进行初始充电后，他们展示了对手指触摸的像素级响应，以及使用不锈钢探针在最远 500 微米的距离内可靠的接近传感。

主要目标之一是确保用户与机器之间的安全接触。“我们的研究有助于开发电子皮肤系统，使机器人、假肢和可穿戴电子设备能够更精确地感知触觉、压力和距离，”金教授说。“这将带来更安全、更可靠的人机交互，并可应用于医疗机器人、健康监测和自主系统等领域。”

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